Земля не резиновая или мифы о перенаселении.⁠⁠

Мой прошлый пост о колонизации Венеры неожиданно для меня вызвал бурное обсуждение, где, помимо проблем непосредственно колонизации, очень часто фигурировало мнение о том, что не стоит пытаться колонизировать другие планеты, пока на Земле ещё полно неосвоенных мест. Оппоненты же заявляли, что на Земле уже сейчас наблюдается нехватка ресурсов на всех.

Моё личное мнение, которое я никому не навязываю, заключается в том, что колонизация космоса человечеству необходима, скорее, из соображений социологии, чем из-за реальной потребности в каких-либо ресурсах. Я опубликовал в разное время целую серию постов о том, какие проблемы подстерегают человечество на пути освоения космического пространства, начиная с выхода на орбиту, проблем жизнеобеспечения, и заканчивая строительством космических поселений и астроинженерных сооружений. Данный пост я хочу посвятить нашей родной планете, и в нём я постараюсь рассмотреть вопрос о том, сколько же людей на самом деле может прокормить матушка-Земля.

Сразу говорю, что данный пост не претендует на роль сколько-нибудь серьёзного изыскания по теме. Скорее всего, соображения, изложенные здесь вызовут у кого-то возражения и желание поспорить, что, собственно, не возбраняется в комментариях.

Тем не менее, почти все свои аргументы я постарался подкрепить пруфами, так что приветствуется только аргументированная критика.

В 1968 году греческий архитектор Константинос Доксидиадис в своей работе «Экуменополис 2100 года» описал развитие непрерывной всепланетарной агломерации, «планетарного города», конечной стадии процесса урбанизации планеты.

Наверное, самым известным представителем подобного города-планеты в массовой культуре является планета Coruscant из вселенной «Звёздных войн». Среди примеров можно так же вспомнить Ойкуменополис из «Победителя невозможного» Евгения Велтистова или столицу Империи Трентор из цикла «Основание» Айзека Азимова.

Сам термин Экуменополис (или Ойкуменополис) происходит, как несложно догадаться, из греческого языка, где οἰκουμένη — Вселенная, обитаемый мир и πόλις — город. Думаю, концепция понятна – город, занимающий всю поверхность планеты, включая океаны и полярные регионы.

Азимов описывал свой Трентор с «громадным» населением в 40 миллиардов человек. Соседние планеты не занимались более ничем, кроме выращивания еды для снабжения этого города-планеты, однако, если попытаться разобраться, то подобная концепция в корне не верна, как и многие другие концепции ретро-футуризма.

Давайте попытаемся разобраться, сколько в действительности людей может поместиться на нашей планете. Начнём с площади поверхности, которая составляет 510 миллионов квадратных километров. Если мы выделим по 1000 м² площади на каждого жителя (на которой должны разместиться его дом, рабочее пространство, средства обеспечения пищей, водой, энергией, место под хранение запасов, зона рекреации, и при этом размещаться всё это будет на одном уровне, наша планета сможет поддерживать население приблизительно в полтриллиона человек (500 млрд). Если же размещение будет в несколько этажей, то эта цифра может увеличиться на порядок – до квадриллиона человек, при этом, добавляя этажи, либо сокращая личное пространство, мы могли бы увеличивать эту цифру и дальше. Азимов ошибался как минимум на один порядок, и более близкими в данном случае выглядит Корусант из «Звёздных войн» или Терра из «Вархаммера», с населением в 1-2 триллиона человек.

Подождите! Не начинайте пока писать гневный комментарий! Мы только начинаем разбираться.

На самом деле квадриллион людей на Земле не разместить, и дело даже не в ресурсах или энергии, проблема в том, что каждый человек представляет собой нагреватель мощностью примерно в 100 Ватт. И квадриллион людей в сумме будут выделять 10¹⁷ Вт тепловой энергии (100 Петаватт), что суммарно сравнимо по мощности с объёмом энергии, которую планета получает от Солнца. И если мы планируем прокормить всех этих людей, данную цифру надо ещё как минимум увеличить примерно в 100 раз, даже в случае супер-эффективного способа производства продуктов питания, который смог бы конвертировать электричество и свет в пищевые калории с «фантастической» эффективностью в целый 1%! Для того, чтобы отдать такое тепло в космос посредством излучения, температура планеты должна будет увеличиться в три раза.

Следует так же учитывать, что доставка необходимых грузов из космоса (если предположить, что всё производство вынесено за пределы планеты), так же не обойдётся без выделения тепла, так как кинетическая энергия объекта, попадающего на поверхность нашей планеты, должна будет каким-то образом гаситься, то есть – превращаться в тепло.

По сути, тепло является единственным естественным ограничителем для увеличения численности населения планеты, если бы мы владели термоядерной энергетикой.

Теперь, давайте остановимся подробнее на ресурсах, которые нам нужны, а именно: воздух, вода, пища.

Воздух

Точнее – кислород. Является возобновляемым ресурсом, по сути, вдыхая кислород, мы связываем его с атомом углерода из нашего собственного тела, затем выдыхаем углекислый газ (CO₂). В среднем, человек вдыхает в сутки примерно 11 тыс. литров воздуха, при этом сжигается не весь кислород, а лишь примерно 550 литров (ссылка).

Помимо атмосферы, кислород содержится ещё и в земной коре, 40% массы которой приходится на кислород. Но предположим, что иных источников, кроме регенерации кислорода из углекислого газа у нас нет (наиболее энергозатратный процесс), поэтому мы воспользуемся «дедовским» способом и будем восстанавливать углерод при высокой температуре (http://carbon.atomistry.com/decomposition_carbon_dioxide.html). Массовая доля кислорода в углекислоте составляет ~73%, соответственно, нам необходимо получить 785 грамм кислорода (550 литров), что потребует нагрева 1075 г углекислого газа до температуры ~3500 °С, на что потребуется 3,17 Мегаджоуля энергии в день на человека. Здесь, впрочем, стоит отметить недавно открытый способ восстановления углерода при помощи ультрафиолета, который потенциально может оказаться дешевле (https://phys.org/news/2014-10-oxygen-molecules-carbon-dioxide.html). Добавим эту цифру в наш энергетический бюджет и пойдём дальше.

Вода

Является полностью восполнимым ресурсом, однако, регенерация и очистка воды так же требуют энергии. Вода нам необходима не только для питья, но и для гигиенических процедур. Ежедневно человек потребляет до 250 литров воды. Не располагая точными сведениями по всем возможным процессам очистки, я для наших прикидок взял минимальную энергию, необходимую на опреснение 100 литров (0,1 м³) океанской воды в день. В зависимости от используемого метода, это составит 0,25 – 7,2 МДж в день на человека.

Пища

В среднем, человек должен потреблять пищи, эквивалентом около 2500 калорий энергии ежедневно. При этом, допустим, соотношение растительной и животной пищи оптимально должно находиться в пропорции 70:30 (https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/6165-uchenye-nazvali-luchshee-sootnoshenie-rastitelnoy-i-zhivotnoy-pischi-v-ratsione), что потребует нам, соответственно 1750 калорий растительной и 750 – животной пищи. На этом ресурсе представлены текущие затраты энергии на производство некоторых видов пищевых продуктов.

Я позволил себе некоторую вольность и, основываясь на данных цифрах, усреднил показатели, получив потребность в 2,62 кг растительной и 0,4 кг животной пищи в день на человека, что эквивалентно, соответственно, энергии в 21,82 МДж и 31,72 МДж. Здесь следует отметить, что оценка затрат на производство продуктов питания проведена исходя из современных методик ведения сельского хозяйства и, соответственно, не учитывает передовых достижений в области вертикальных ферм, гидропоники, аэропоники и мяса из пробирки.

Так же следует отметить, что мясопроизводящий скот требует под пастбища в настоящее время до 80% возделываемых земель, но при этом производит менее 20% мирового потребления калорий.

Что касается площади, необходимой для выращивания необходимых культур, то примерно получается такая картина (http://www.waldeneffect.org/blog/Calories_per_acre_for_various_foods):

В среднем, для обеспечения нужд одного человека требуется посевная площадь порядка 255 м² или (для четырёхуровневой вертикальной фермы) квадрат 8×8 м, что вполне вписывается в отведённый в начале этого поста «лимит» в 1000 м². При освоении производства «мяса из пробирки», размер технологического оборудования так же, вряд ли будет превышать заданные габариты.

Здесь так же стоит отметить, что энергозатраты на производство растительной пищи дополнительно можно сократить, используя для этого светодиоды, испускающие излучение только в требуемом для фотосинтеза диапазоне.

Но, даже не прибегая к каким-либо новым технологиям, используя лишь существующие и проверенные методы, мы получаем максимально-возможные энергетические требования на 1 человека в размере ~ 60 МДж в день (16,67 КВт*ч) или 6084,55 КВт*ч в год.

Энергия.

Как, я надеюсь, уже понятно, энергия является основным сдерживающим фактором роста населения планеты. Существует много людей, считающих, что энергоресурсов на Земле не хватит не то, чтобы на триллион человек, но и уже не хватает даже для текущих 8 миллиардов. И они правы в контексте современной нефтебензиновой экономики, завязанной на извлечение энергии из ископаемых углеводородов. Но по мере исчерпания ископаемого топлива, мне слабо верится, что человечество вернётся к паровым двигателям и лошадкам.

Начнём с текущего производства электроэнергии (http://world.bymap.org/ElectricityProduction.html). По состоянию на конец 2014 года, мировая выработка электроэнергии составляла 3171 КВт*ч на человека в год, что в 2 раза меньше цифры, требуемой для обеспечения полной автономности каждого отдельного человека. Здесь я напомню, что в наших расчётах учтена энергия на полную регенерацию кислорода и воды, чего мы, разумеется, сейчас не делаем, а так же энергия на производство пищи. Однако, не стоит так же забывать, что доля возобновляемых источников энергии не превышает сейчас в лучшем случае и 25%, так что нам необходимо обеспечить выработку энергии из возобновляемых источников минимум в 7 раз больше, чем есть сейчас.

Так что, энергии на всех не хватает? Давайте посмотрим, где её можно взять. Начать с того, что в случае освоения термоядерной энергии, энергетический вопрос можно считать окончательно закрытым (см. Как термоядерный синтез решит почти все наши проблемы), но, поскольку термоядерная энергия вот уже более полувека остаётся энергией «завтрашнего дня», давайте посмотрим на альтернативы.

С самого начала следует оценить потенциал возобновляемых источников энергии. В тематической работе «The Potentials of Renewable Energy» международного комитета по возобновляемым источникам энергии приводятся следующие цифры:

Как видно из таблицы, возобновляемых ресурсов планеты даже при текущем техническом потенциале нам хватит, чтобы поднять выработку энергии в тысячи, а теории – в миллионы раз больше, чем мы это делаем сейчас.

И уж конечно, если этих источников нам, по какой-то причине, не хватит, на помощь приходит наш основной источник практически неисчерпаемой энергии – Солнце. Идея по передаче солнечной энергии из космоса на землю занимает умы людей уже давно (первая публикация на эту тему датирована 1968 годом, первый патент – 1973).

Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите. Предполагается преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи (СВЧ, лазерное излучение), и передавать на поверхность в «концентрированном» виде.

Эффективность солнечных батарей с тех пор значительно возросла, а стоимость вывода грузов на орбиту – снизилась до такого уровня, что Национальное космическое общество США в 2007 году представило доклад, в котором рассматриваются различные аспекты данного вида энергетики.

При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35% энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будут получать в среднем в восемь раз больше света, чем те же панели на поверхности Земли и даже больше, когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. С другой стороны, недостатком космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 3 млн т. окупятся только в течение 20 лет, и это если принимать в расчёт удельную стоимость доставки грузов с Земли на рабочую орбиту 100 $/кг. Нынешняя же стоимость вывода грузов на орбиту намного больше.

Вторая проблема создания ОЭС — большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 40-50% полученной спутником энергии.

Ну и главным недостатком данной технологии, на мой взгляд, является то, что подобная энергетическая установка, по сути, является весьма эффективным оружием массового поражения, что в условиях современной политической ситуации будет являться главным стопором в её развитии.

Тем не менее, надеюсь, этим постом, я смог если и не развенчать миф о скором исчерпании ресурсов Земли и её перенаселённости, то, хотя бы, серьёзно расшатать позиции его сторонников.